三維CAPP系統(tǒng)工藝方案設計技術研究.pdf

1、計算機輔助工藝方案設計依據(jù)零件幾何信息和工藝信息，在制造資源庫、加工方法庫、定位方法庫和智能算法等支持下，在工步順序關系約束下，生成工藝路線優(yōu)化的、定位基準合理的工藝方案。其設計過程具有復雜性和多解性。工藝方案設計的結(jié)果直接影響企業(yè)零件加工時間、質(zhì)量、成本以及制造資源的合理使用。
　　傳統(tǒng)工藝方案設計方法存在兩個不足：首先，傳統(tǒng)串行設計過程不能很好地解決定位基準選擇與工藝路線優(yōu)化之間的耦合問題，難以生成最優(yōu)的工藝方案；其次，工藝方

2、案設計過程忽視了幾何推理技術的應用，特別是缺乏在工件中間狀態(tài)三維幾何模型上的推理，導致工藝方案設計方法難以適用于工藝過程復雜、中間狀態(tài)變化大的零件產(chǎn)品?；谏鲜鰞牲c不足，本文提出了所要研究和解決的兩個科學問題：定位基準與工藝路線綜合優(yōu)化問題和工件中間狀態(tài)三維幾何推理問題。針對這兩個科學問題，提出了新的迭代式的工藝方案設計思路，通過多次迭代控制確保工藝方案收斂于最優(yōu)解。重點研究了工步順序約束推理、工藝路線優(yōu)化、定位基準選擇和工藝方案評價等

3、四個關鍵技術，全文主要從以下幾個方面展開研究：
　　（1）在分析傳統(tǒng)工藝方案設計方法不足的基礎上，提出了三維CAPP工藝方案設計系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，采用了新的迭代式工藝方案設計方法，支持定位基準與工藝路線綜合優(yōu)化研究；基于OWL構(gòu)建了機械加工工藝設計本體、零件工藝本體和建模本體，初步實現(xiàn)了工藝知識表達、重用和共享，為工藝方案設計奠定了基礎。
　?。?）工步順序約束是工藝路線優(yōu)化的主要約束條件，目前由工藝規(guī)則推理或人機交互給出，而工

4、藝規(guī)則推理難以獲得完備正確的約束集。因此，針對兩類工步順序約束開展推理研究：首先針對幾何關系約束，在幾何域上通過判斷刀具掃略體包圍盒與特征包圍盒是否存在分離軸，決定兩個特征加工順序；其次針對基準關系約束，通過個人顏色與統(tǒng)一顏色關系推理獲得零件的定位方式和定位準則，然后基于圍道矩陣的啟發(fā)式定位基準選擇算法，獲得主要特征的定位方案。本文幾何關系約束推理能夠獲得完備正確的幾何可行性約束集，基準關系約束推理能夠獲得零件加工的主要定位基準集合。<

5、br>　?。?）在工藝路線優(yōu)化方法中，基于知識或圖論方法難以避免裝夾順序約束環(huán)的產(chǎn)生，基于TSP模型的智能算法求解順序約束時效率低下，迫切需要研究在工步順序約束下的工步分組與排序問題。因此，本文開展了基于頂點聚類算法的工藝路線優(yōu)化方法研究，將工藝路線優(yōu)化問題轉(zhuǎn)為在工步順序約束圖OPG上最大化頂點合并與排序問題，該方法主要包括三個子算法：裝夾順序約束圖SPG生成、工步排序和裝夾排序算法。在分析裝夾之間順序環(huán)產(chǎn)生機理基礎上，通過實時檢測兩個

6、順序頂點之間所有路徑上的中間節(jié)點屬性，決定兩個頂點是否參與聚類，從而避免了裝夾之間順序約束環(huán)的產(chǎn)生；從工步分組角度研究工藝路線優(yōu)化問題，與從工步排序角度研究相比，縮小了解空間規(guī)模（工步排序解空間是n！規(guī)模）；算法在可行解空間進行，極大地提高了算法求解效率。
　?。?）當前零件最終三維模型是選擇定位基準的模型依據(jù)，僅能反映最后若干工序的工件狀態(tài)，當零件結(jié)構(gòu)復雜、工序數(shù)量繁多、加工階段分粗/半精/精加工時，零件最終三維模型就難以反映工

7、件中間狀態(tài)，更難以描述面的出現(xiàn)、變化、消亡等幾何信息變化和面積、粗糙度、尺寸精度等工藝信息變化，從而使基于工件中間狀態(tài)的定位基準選擇研究，缺乏準確的模型支持，因此提出了基于中間工序模型的定位基準選擇方法。通過工藝本體到建模本體的映射，獲取了幾何成型特征和建模參數(shù)，通過建模算法實現(xiàn)了基于零件CAD模型的中間工序模型生成。針對每個中間工序模型生成定位基準備選集，分析集合中每個尺寸公差和位置公差的精度等級，確定各尺寸方向上最緊密公差，通過公差

8、尺寸換算分析，為每次裝夾選擇定位基準。
　　（5）文獻中工藝路線優(yōu)化的目標函數(shù)包括機床費用、裝夾和換刀次數(shù)等，但不考慮尺寸公差換算、定位方式、定位面積等定位基準選擇的指標，導致優(yōu)化后的工步序列可能因某次裝夾中尺寸換算后公差過緊而難以在實際加工中應用。因此，提出了面向工藝路線和定位基準的工藝方案評價方法，構(gòu)建了包括裝夾次數(shù)、機床費用、尺寸換算、定位面積、定位粗糙度和定位方向等的評價指標體系，分別采用信息熵和TOPSIS方法確定評價指

9、標權(quán)重并對工藝方案的優(yōu)劣進行排序，保證獲得的工藝方案既優(yōu)化又實用。
　　最后，在上述理論方法基礎上，開發(fā)了三維CAPP工藝方案設計驗證系統(tǒng)，并通過實例，驗證了上述理論和方法的正確性。
　　本文研究工作得到國家自然科學基金（基于形象智能的CAPP系統(tǒng)研究，No.50375097）、國家863計劃（基于動態(tài)時變零件制造模型的定量化CAPP系統(tǒng)研究與開發(fā)，No.2007AA04Z140）、高等學校博士學科點專項科研基金資助課題（基